CN210825591U - 一种分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器 - Google Patents

Abstract

一种分级强化有机污染物降解的超临界水反应器，包括反应器头部，反应器中部和反应器底部，反应器头部包括氧气冷却通道，喷嘴口，超临界水注入口，测温口，冷却水出口以及喷嘴平台。其中，氧气冷却通道上通过螺纹安装有火焰检测器，喷嘴口通过螺纹安装有物料喷嘴，测温口上通过螺纹安装有测温热电偶。反应器中部包括反应器上段，反应器中段以及反应器下段。反应器上段用螺栓与反应器头部配合安装。反应器上段，反应器中段以及反应器下段之间分别通过螺栓连接安装二次氧化口，三次氧化口，四次氧化口。反应器中段由内到外分别为反应器内部，催化剂内衬套，辅助燃料螺旋套和冷却水套。反应器底部与反应器下段焊接，中间是一个渐缩的喷头。

Description

一种分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器

技术领域

本发明属于超临界水氧化技术领域，特别涉及一种分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器。

背景技术

超临界水氧化技术的研究起始于1980年代初，由Modell教授首次提出。超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation，简称SCWO)是在水的临界点以上(Tc＝647K,Pc＝221bar)，可以安全、干净、有效地降解有机物含量低于20wt％的有机废液的水处理技术。

在纯水的临界点附近或高于临界点，水的热物理性质相对于常温下的水发生了明显的改变。介电常数的明显降低导致碳氢化合物和气体如氧气、氮气和二氧化碳在超临界水中的溶解度显著增加，氧化反应在均相环境中进行，进而避免了相界面对传质和传热的相间阻力。相反地，无机盐在超临界水中的溶解度急剧下降。另外，超临界水的低粘度保证了很多物质在超临界水中的高扩散率，进而促进了快速有效的反应。因此超临界水为有机物的氧化降解提供了理想的反应媒介。然而，即使超临界水处理技术具有多种优点，SCWO苛刻的反应条件带来的强腐蚀性、高材质要求以及运营过程中的盐沉积问题成为当前SCWO商业化最大的阻碍。具体表现有：

(1)超临界水氧化反应条件苛刻，需要较高的温度及压力。对于常规的管式反应器，反应器的管壁需要承受600-700℃高温以及25MPa的高压，其必须采用Ni合金等耐高温材料并通过增加壁厚实现，这导致了反应器造价的升高。

(2)装置能量需求大，反应系统经济性不高。虽然SCWO过程是一个放热反应，当有机物的质量分数达到2～3％时就能实现自热，但在设备启动过程中依然需要外部热源对其进行补热。此外，在设备运行过程中，当前反应器多通过在反应器进口处将预热的物料同氧化剂进行混合，使其能在反应器中迅速达到超临界状态从而完成有机物的降解。目前国内外的超临界水氧化设备的加热方式绝大部分采用电加热形式，这不仅造成设备投资费用巨大，而且对此项技术的大规模工业化应用造成了巨大障碍。

(3)材料腐蚀问题。超临界水环境中，高温、高压、溶解氧以及反应中产生的某些自由基、离子都会加快耐蚀材料的腐蚀速率。此外，有机物中含有的卤素、硫、磷等杂原子在超临界水中分解后会产生酸，进一步引起设备的强烈腐蚀。

(4)盐沉积问题。常温下水对大多数盐来说是一种优良溶剂，溶解度较大。相反，大部分盐在低密度的超临界水中溶解度极小。当亚临界溶液被迅速加热到超临界温度时，由于盐的溶解度大幅度降低，有大量沉淀析出，沉积的盐会引起反应器进出口管路堵塞，这不仅影响了反应器的正常运行，还会带来潜在的设备隐患。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其利用辅助燃料补给反应热量并通过其产生的活泼自由基引发、促进氧化反应的进行。在反应器顶部，通过合理设置喷嘴平台结构，冷物料、醇类、超临界水和氧气可在同一反应平面内均匀混合，有效防止了因物料预热而在加热系统和管道中的腐蚀、盐沉积现象。除此之外，该反应器还具备拆装方便，容易装载和更换催化剂，易于检修和维护等特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，包括依次连接装配的反应器头部5、反应器中部和反应器底部28，其特征在于，所述反应器头部5为端盖结构，其底端设置喷嘴平台33，喷嘴平台33与反应器头部5之间形成相隔离的氧化剂空间与超临界水空间，氧化剂空间与超临界水空间分别通过独立的孔道与反应器内部空间34连通，所述反应器头部5开有超临界水注入口30和喷嘴口2，超临界水注入口30与超临界水空间连通，喷嘴口2中设有喷嘴1，喷嘴1环腔与氧化剂空间连通，喷嘴1内管为有机污染物水溶液通道，贯穿喷嘴平台33伸入至反应器内部空间34。

所述反应器头部5开有与反应器内部空间34直接连通的氧气冷却通道4，氧气冷却通道4中插入火焰检测器3。

所述反应器中部为筒体结构，由内到外设置催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套和冷却水套。

所述冷却水套和辅助燃料螺旋套均设有倾斜向下的单螺旋通道，通道方向与水平面成10-45°。

所述反应器中部包括依次连接装配的反应器上段6、反应器中段A15、反应器中段B18以及反应器下段23，其中反应器上段6与反应器中段A15之间设有二级注入装置11，反应器中段A15与反应器中段B18之间设有三级注入装置16，反应器中段B18与反应器下段23之间设有四级注入装置21，相邻段之间的辅助燃料螺旋套和冷却水套分别通过相应级的注入装置上下连通，冷却水套最上方与反应器头部5的冷却水出口32连通。

所述反应器头部5开有与反应器内部空间34直接连通的测温口一31，所述反应器上段6侧壁设置有测温口二10，所述二级注入装置11设置有测温口三12，所述三级注入装置16设置有测温口四17，所述四级注入装置21设置有测温口五22，所述反应器下段23侧壁设置有测温口七26，各测温口种均安装有测温热电偶29。

所述反应器上段6由内到外为催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套一8和冷却水套一7，所述二级注入装置11上设置有连通辅助燃料螺旋套一8的二级燃料注入口35和连通冷却水套一7的二级氧化剂注入口36；所述反应器中段A15由内到外为催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套二14和冷却水套二13，所述三级注入装置16上设置有连通辅助燃料螺旋套二14的三级燃料注入口37和连通冷却水套二13的三级氧化剂注入口38；所述反应器中段B18由内到外为催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套三20和冷却水套三19，所述四级注入装置21上设置有连通辅助燃料螺旋套三20的四级燃料注入口39和连通冷却水套三19的四级氧化剂注入口40；所述反应器下段23由内到外为催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套四25和冷却水套四24，所述反应器下段23底部侧面设置有连通辅助燃料螺旋套四25的甲醇注入口27和连通冷却水套四24的冷却水入口41。

所述催化剂内衬套9在各级燃料注入口与各级氧化剂注入口的位置均开有若干斜向下的环孔，角度与水平面成45-80°。

所述辅助燃料螺旋套一8在螺旋通道的顶端向内穿透催化剂内衬套9开有若干斜向下的环孔，通道的平面与水平面成45-80°。

所述反应器底部28为渐缩型结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、针对当前超临界水氧化反应装置能量需求大，系统经济性不高的问题。本发明通过合理设置喷嘴平台，通过干净的辅助燃料与氧气反应释放大量的热量，并进而与物料进行混合。废料物料经过螺旋雾化喷嘴进入反应器内部时，通过与辅助燃料的均匀混合，可以实现废物物料的低温入射，大大减少了能量消耗，并从根本上解决了废物物料在预热器中的腐蚀、盐沉积问题。

2、该反应器进料浓度适用范围广，对于高浓度有机污染物，采用超临界水热燃烧，配合有分段注氧、注辅助燃料等强化措施，可在600～1100℃的反应温度实现有机物在较短的停留时间下的高效降解。对于低浓度有机污染物，通过与辅助燃料配合注入，有效提高了进料的热值，此外反应器头部有超临界水注入口，通过与物料的均匀混合可以快速提高物料的温度。

3、实现了反应器内部的实时监测，反应器内部设置有火焰检测器，并在火焰检测器和反应器头部之间的环形缝隙中通入氧气实现火焰检测器的冷却，有效解决了高压玻璃无法承受高温的问题，且通入的氧气将进一步促进反应器中反应的进行。

4、超临界水反应器内部的流体温度要比传统的SCWO反应器的温度高得多，因此需要对壁面设置冷却保护措施。本装置创新性的设计有辅助燃料螺旋套和冷却水套，其既可以对分级强化注入的甲醇进行预热，又可以保证反应器内部高温流体不直接与外部承压壁接触，有效降低了外部承压壁的选材要求，进一步降低了加工费用。此外，反应器内壁为可更换的催化剂内衬套，可根据物料种类和运营时长进行更换，保证有机物的降解高效进行。

附图说明

图1为本发明反应器的结构剖面图。

图2为本发明反应器上部的局部放大图。

图3为本发明多功能超临界水反应器二级注入装置局部放大图。

其中，1为喷嘴，2为喷嘴口，3为火焰检测器，4为氧气冷却通道，5为反应器头部，6为反应器上段，7为冷却水套，8为辅助燃料螺旋套，9为催化剂内衬套，10为测温口，11为二级注入装置，12为测温口，13为冷却水套，14为辅助燃料螺旋套，15为反应器中段，16为三级注入装置，17为测温口，18为反应器中段，19为冷却水套，20为辅助燃料螺旋套，21为四级注入装置，22为测温口，23为反应器下段，24为冷却水套，25为辅助燃料螺旋套，26为测温口，27为甲醇注入口，28为反应器底部，29为测温热电偶，30为超临界水注入口，31为测温口，32为冷却水出口，33为喷嘴平台，34为反应器内部，35为二级燃料注入口，36为二级氧化剂注入口，37为三级燃料注入口，38为三级氧化剂注入口，39为四级燃料注入口，40为四级氧化剂注入口，41为冷却水入口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，主要包括依次连接装配的反应器头部5、反应器中部和反应器底部28的三大部分。

其中，反应器头部5是本发明的重要部分，如图2所示，其为端盖结构，底端设置喷嘴平台33，喷嘴平台33与反应器头部5之间形成相隔离的氧化剂空间与超临界水空间，具体地，氧化剂空间与超临界水空间均为环形空间，中间以环形带隔开，氧化剂空间位于超临界水空间内侧。

氧化剂空间与超临界水空间分别通过独立的孔道与反应器内部空间34连通，反应器头部5开有超临界水注入口30和喷嘴口2，其中喷嘴口2可开设于反应器头部5的中央，超临界水注入口30与超临界水空间连通，在喷嘴口2中螺纹连接有喷嘴1，喷嘴1的环腔与氧化剂空间连通，而喷嘴1内管贯穿反应器头部5与喷嘴平台33伸入至反应器内部空间34，作为有机污染物水溶液通道，喷嘴1可采用螺旋喷嘴口。

同时，还可在反应器头部5开有与反应器内部空间34直接连通的氧气冷却通道4，氧气冷却通道4中插入火焰检测器3。

反应器中部包括依次连接装配的反应器上段6、反应器中段A15、反应器中段B18以及反应器下段23，整体为筒体结构，由内到外设置催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套和冷却水套，冷却水套和辅助燃料螺旋套均设有倾斜向下的单螺旋通道，通道方向与水平面成10-45°。

具体地，反应器上段6由内到外为催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套一8和冷却水套一7，反应器中段A15由内到外为催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套二14和冷却水套二13，反应器中段B18由内到外为催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套三20和冷却水套三19，反应器下段23由内到外为催化剂内衬套9、辅助燃料螺旋套四25和冷却水套四24。

反应器上段6与反应器中段A15之间设有二级注入装置11，反应器中段A15与反应器中段B18之间设有三级注入装置16，反应器中段B18与反应器下段23之间设有四级注入装置21，相邻段之间的辅助燃料螺旋套和冷却水套分别通过相应级的注入装置上下连通，冷却水套最上方与反应器头部5上的冷却水出口32连通，催化剂内衬套9在各级燃料注入口与各级氧化剂注入口的位置均开有若干斜向下的环孔，角度与水平面成45-80°，辅助燃料螺旋套一8在螺旋通道的顶端向内穿透催化剂内衬套9开有若干斜向下的环孔，通道的平面与水平面成45-80°，催化剂内衬套9所用材料可根据反应物的不同进行更换。在反应器下段23底部侧面设置有连通辅助燃料螺旋套四25的甲醇注入口27和连通冷却水套四24的冷却水入口41。

进一步地，如图3所示，可在二级注入装置11设置连通辅助燃料螺旋套一8的二级燃料注入口35和连通冷却水套一7的二级氧化剂注入口36；在三级注入装置16设置连通辅助燃料螺旋套二14的三级燃料注入口37和连通冷却水套二13的三级氧化剂注入口38；在四级注入装置21设置有连通辅助燃料螺旋套三20的四级燃料注入口39和连通冷却水套三19的四级氧化剂注入口40，用以分级强化有机物降解。

为便于监测反应效果，在反应器头部5开有与反应器内部空间34直接连通的测温口一31，反应器上段6侧壁设置有测温口二10，二级注入装置11设置有测温口三12，三级注入装置16设置有测温口四17，四级注入装置21设置有测温口五22，反应器下段23侧壁设置有测温口七26，各测温口种均安装有测温热电偶29。

反应器底部28为渐缩型结构，与反应器中部用焊接连接。

根据以上结构，本发明的工艺流程如下：

超临界压力下的一定浓度的有机污染物水溶液经喷嘴1顶端入口进入喷嘴内管，经过喷嘴1下方的螺旋喷嘴口起旋进入反应器内部空间34，超临界压力下氧化剂经喷嘴1上端侧面入口进入喷嘴环腔，到达喷嘴平台33与反应器头部5之间的氧化剂空间，经喷嘴平台33的喷孔向下喷出进入反应器内部空间34与有机物水溶液接触，高温高压的超临界水经过超临界水入口30进入超临界水空间，再经喷嘴平台33的喷孔进入反应器内部空间34与有机物水溶液和氧化剂接触，随后产生超临界水热火焰，另一股氧化剂经由氧气冷却通道4进入反应器内部空间34。

一股超临界压力下的醇类燃料溶液经过甲醇注入口27通过单螺旋通道向上分别进入辅助燃料螺旋套25、20、14、8到达顶端的斜孔喷入反应器内部空间34进行燃料的补充。

三组，每组分两股超临界压力下的氧化剂和醇类燃料溶液通过二级燃料注入口35、二级氧化剂注入口36、三级燃料注入口37、三级氧化剂注入口38、四级燃料注入口39、四级氧化剂注入口40斜向内喷入反应器内部空间34进行分级强化有机污染物降解反应。

一股超临界压力的冷却水由冷却水入口41进入，分别通过冷却水套24，19，13，7的单螺旋通道上升冷却反应器并由顶端的冷却水出口32出去。

综上，本发明公开了一种分级强化有机污染物降解的超临界水反应器，其包括反应器头部，反应器中部(反应器上段、反应器中段、反应器下段)和反应器底部三个主要部分。反应器头部包括氧气冷却通道，喷嘴口，超临界水注入口，测温口，冷却水出口以及喷嘴平台。其中，氧气冷却通道上通过螺纹安装有火焰检测器，喷嘴口通过螺纹安装有物料喷嘴，测温口上通过螺纹安装有测温热电偶。反应器中部包括反应器上段，反应器中段以及反应器下段。反应器上段用螺栓与反应器头部配合安装。反应器上段，反应器中段以及反应器下段之间分别通过螺栓连接安装二次氧化口，三次氧化口，四次氧化口。反应器中段由内到外分别为反应器内部，催化剂内衬套，辅助燃料螺旋套和冷却水套。反应器底部与反应器下段焊接，中间是一个渐缩的喷头。

该装置可以实现有机废物的冷物料入射，且对物料入射浓度适应范围广。其配合有分段注氧、注辅助燃料等强化措施，可在600～1100℃的反应温度实现有机物在较短的停留时间下的高效降解。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，包括依次连接装配的反应器头部(5)、反应器中部和反应器底部(28)，其特征在于，所述反应器头部(5)为端盖结构，其底端设置喷嘴平台(33)，喷嘴平台(33)与反应器头部(5)之间形成相隔离的氧化剂空间与超临界水空间，氧化剂空间与超临界水空间分别通过独立的孔道与反应器内部空间(34)连通，所述反应器头部(5)开有超临界水注入口(30)和喷嘴口(2)，超临界水注入口(30)与超临界水空间连通，喷嘴口(2)中设有喷嘴(1)，喷嘴(1)环腔与氧化剂空间连通，喷嘴(1)内管为有机污染物水溶液通道，贯穿喷嘴平台(33)伸入至反应器内部空间(34)。

2.根据权利要求1所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述反应器头部(5)开有与反应器内部空间(34)直接连通的氧气冷却通道(4)，氧气冷却通道(4)中插入火焰检测器(3)。

3.根据权利要求1所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述反应器中部为筒体结构，由内到外设置催化剂内衬套(9)、辅助燃料螺旋套和冷却水套。

4.根据权利要求3所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述冷却水套和辅助燃料螺旋套均设有倾斜向下的单螺旋通道，通道方向与水平面成10-45°。

5.根据权利要求3或4所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述反应器中部包括依次连接装配的反应器上段(6)、反应器中段A(15)、反应器中段B(18)以及反应器下段(23)，其中反应器上段(6)与反应器中段A(15)之间设有二级注入装置(11)，反应器中段A(15)与反应器中段B(18)之间设有三级注入装置(16)，反应器中段B(18)与反应器下段(23)之间设有四级注入装置(21)，相邻段之间的辅助燃料螺旋套和冷却水套分别通过相应级的注入装置上下连通，冷却水套最上方与反应器头部(5)的冷却水出口(32)连通。

6.根据权利要求5所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述反应器头部(5)开有与反应器内部空间(34)直接连通的测温口一(31)，所述反应器上段(6)侧壁设置有测温口二(10)，所述二级注入装置(11)设置有测温口三(12)，所述三级注入装置(16)设置有测温口四(17)，所述四级注入装置(21)设置有测温口五(22)，所述反应器下段(23)侧壁设置有测温口七(26)，各测温口种均安装有测温热电偶(29)。

7.根据权利要求5所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述反应器上段(6)由内到外为催化剂内衬套(9)、辅助燃料螺旋套一(8)和冷却水套一(7)，所述二级注入装置(11)上设置有连通辅助燃料螺旋套一(8)的二级燃料注入口(35)和连通冷却水套一(7)的二级氧化剂注入口(36)；所述反应器中段A(15)由内到外为催化剂内衬套(9)、辅助燃料螺旋套二(14)和冷却水套二(13)，所述三级注入装置(16)上设置有连通辅助燃料螺旋套二(14)的三级燃料注入口(37)和连通冷却水套二(13)的三级氧化剂注入口(38)；所述反应器中段B(18)由内到外为催化剂内衬套(9)、辅助燃料螺旋套三(20)和冷却水套三(19)，所述四级注入装置(21)上设置有连通辅助燃料螺旋套三(20)的四级燃料注入口(39)和连通冷却水套三(19)的四级氧化剂注入口(40)；所述反应器下段(23)由内到外为催化剂内衬套(9)、辅助燃料螺旋套四(25)和冷却水套四(24)，所述反应器下段(23)底部侧面设置有连通辅助燃料螺旋套四(25)的甲醇注入口(27)和连通冷却水套四(24)的冷却水入口(41)。

8.根据权利要求7所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述催化剂内衬套(9)在各级燃料注入口与各级氧化剂注入口的位置均开有若干斜向下的环孔，角度与水平面成45-80°。

9.根据权利要求7所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述辅助燃料螺旋套一(8)在螺旋通道的顶端向内穿透催化剂内衬套(9)开有若干斜向下的环孔，通道的平面与水平面成45-80°。

10.根据权利要求1所述分级强化有机物污染物降解的多功能超临界水反应器，其特征在于，所述反应器底部(28)为渐缩型结构。

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